Reinjection oilfield wastewater treatment using bioelectrochemical system and consequent corrosive community evolution on pipe material  

使用生物電化學系統處理回注油田廢水及對管道材料腐蝕性菌群的后續影響  

來源：Journal of Bioscience and Bioengineering, Volume 129, Issue 2, February 2020, Pages 199-205

《生物科學與生物工程雜志》，第129卷第2期 2020年2月 199-205頁 

 

摘要內容：  

該論文研究了油田回注廢水處理中的腐蝕問題，特別是硫化物和溶解氧（DO）導致的高腐蝕率和管道堵塞問題。傳統好氧處理雖能去除硫化物，但會殘留高濃度DO（0.5-0.8 mg/L），遠超回注水標準（0.05 mg/L），導致化學、生物和電化學腐蝕。研究者構建了一種三電極（陰極-陽極-陰極）上流式生物電化學反應器（RcAc），利用油田廢水中的有機物通過生物電化學方式快速去除DO（從~5 mg/L降至0.01 mg/L，HRT 6小時），效率近100%。處理后廢水顯著降低了N80不銹鋼的腐蝕速率，并改變了腐蝕性微生物群落，如硫酸鹽還原菌（SRB）減少而硝酸鹽還原菌（NRB）增加，從而抑制生物腐蝕。  

 

研究目的：  

1. 提出一種新型生物電化學反應器，有效去除油田廢水中的溶解氧。  

2. 驗證處理后廢水對管道金屬腐蝕的減緩作用。  

3. 探究DO去除及后續腐蝕性菌群變化對金屬表面的綜合影響。  

 

研究思路：  

1. 構建三電極生物電化學反應器（RcAc），陰極-陽極-陰極結構，利用外部電壓驅動生物電化學過程。  

2. 接種污水處理廠廢水，馴化電極生物膜，實現連續流操作。  

3. 處理油田廢水，監測DO濃度、電極貢獻、腐蝕速率及微生物群落變化。  

4. 通過腐蝕實驗和微生物分析，評估處理效果及機制。  

 

測量的數據及研究意義：  

1. DO濃度及去除效率：來自Fig. 2A和2B，顯示DO從~5 mg/L降至0.01 mg/L，效率近100%，證明RcAc系統高效去氧能力，意義在于解決回注水DO超標導致的腐蝕問題。  

 

2. 腐蝕速率：來自Fig. 3，N80不銹鋼在處理后廢水中腐蝕速率降低超過兩倍（從0.084 mg·d?1·cm?2降至0.039 mg·d?1·cm?2），意義在于驗證DO去除對腐蝕的抑制作用。  

 

3. 微生物群落變化：來自Fig. 5，顯示SRB（如Desulfuromonas、Desulfovibrio）豐度下降，NRB（如Arcobacter、Sulfurospirillum）豐度上升，意義在于揭示DO去除后微生物競爭關系變化，抑制腐蝕性菌群。  

 

4. 硝酸鹽和硫酸鹽濃度：氨氮轉化為硝酸鹽，硫酸鹽濃度不變，意義在于說明NRB利用硝酸鹽競爭抑制SRB。  

5. 掃描電鏡（SEM）圖像：來自Fig. 4，顯示處理后金屬表面腐蝕減輕，意義在于直觀展示腐蝕減緩效果。  

 

6. 電流和電極電位：顯示生物電極活性和外部電壓對DO去除的加速作用，意義在于確認生物電化學機制的貢獻。  

 

結論：  

1. RcAc系統能高效去除DO（效率~100%），滿足油田回注水標準。  

2. 處理后廢水顯著降低N80不銹鋼腐蝕速率。  

3. DO去除促進NRB富集并競爭抑制SRB，改變腐蝕性微生物群落。  

4. 生物電化學方法為油田廢水處理提供了新思路，可減緩管道腐蝕和微生物危害。  

 

使用丹麥Unisense電極測量的數據研究意義：  

Unisense微電極用于測量溶解硫化氫濃度（類型SULF-100）。在該研究中，未檢測到H2S產生，結合微生物群落數據（SRB豐度下降），表明SRB活性被抑制。這一數據意義在于直接驗證了DO去除后，硫酸鹽還原過程被阻斷，避免了硫化氫導致的化學腐蝕和管道堵塞，同時支持了NRB競爭抑制SRB的結論，強化了生物電化學處理在控制微生物腐蝕方面的有效性。